基于供電可靠性的配電自動(dòng)化建設(shè)模式研究

李　兵，高緒明，王得勝，王　帥，李　金，王　婷

(1. 國網(wǎng)安徽電力公司合肥供電公司，合肥　230022；2. 北京國網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司，北京　100031 )

面對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形勢(shì)和新挑戰(zhàn)，2017年國家電網(wǎng)公司運(yùn)檢部發(fā)布了《關(guān)于做好“十三五”配電自動(dòng)化建設(shè)應(yīng)用工作的通知》，明確提出：以公司“十三五”配網(wǎng)規(guī)劃為依據(jù)，按照配電自動(dòng)化與配網(wǎng)架“統(tǒng)籌規(guī)劃、同步建設(shè)”的原則。配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)作為配電網(wǎng)智能感知的重要環(huán)節(jié)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視配電網(wǎng)工況，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)綜合管理；能實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)線路故障的快速定位、隔離，縮小線路故障停電時(shí)間和范圍，是減少故障停電時(shí)間，提高供電可靠性的有效途徑之一[1-5]。

目前對(duì)配電自動(dòng)化(Distribution Automation，DA)的研究主要停留在全方位同等建設(shè)方面，針對(duì)配電線路所在區(qū)域提出與其相適應(yīng)的最佳配電自動(dòng)化建設(shè)模式的研究較少，依據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)主編的《配電自動(dòng)化規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》以及配電自動(dòng)化的發(fā)展歷史，提出三種建設(shè)模式：故障定位模式、就地型配電自動(dòng)化模式、集中型配電自動(dòng)化模式[6-9]。通過比較三種建設(shè)模式的主要功能及對(duì)供電可靠性指標(biāo)的影響，使用試點(diǎn)區(qū)域配電線路數(shù)據(jù)定量計(jì)算出系統(tǒng)供電可靠率，結(jié)合該地區(qū)的實(shí)際情況，分析出該實(shí)例最佳的配電自動(dòng)化建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一配電自動(dòng)化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，滿足不同類型供電區(qū)域建設(shè)需要，提升設(shè)備運(yùn)維管理水平，整體提高供電區(qū)域供電可靠性水平。

1　建設(shè)模式分類

配電自動(dòng)化建設(shè)模式依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展階段分為：故障定位模式、就地型配電自動(dòng)化模式、集中型配電自動(dòng)化模式。

1.1　故障定位模式

故障定位模式主要基于開關(guān)設(shè)備相互配合及檢修人員操作實(shí)現(xiàn)故障指示和定位，主要設(shè)備有重合器、分段器、故障指示/報(bào)警器等。該模式的主要功能是通過在發(fā)生故障時(shí)故障報(bào)警器發(fā)出信號(hào)，通過工作人員到達(dá)現(xiàn)場檢修后確定故障區(qū)域及類型，操作開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)故障隔離和健全區(qū)域恢復(fù)供電[10-11]。故障定位模式局限于開關(guān)設(shè)備、故障指示/報(bào)警器，自動(dòng)化程度較低，一般只具有故障指示功能，對(duì)供電可靠性的提高程度較低，該模式的基本組成如圖1所示。

圖1　故障定位模式基本組成圖

圖1中，CB1、CB2為變壓器出線開關(guān)，圓圈代表線路開關(guān)分閘，實(shí)心圓圈代表線路開關(guān)合閘，開關(guān)上方指示燈代表故障指示/報(bào)警器，在發(fā)生故障時(shí)會(huì)亮燈指示。當(dāng)DE段線路發(fā)生故障時(shí)，CB1出線開關(guān)跳閘，B、C、D開關(guān)跳閘，安裝在B、C、D處的故障指示器紅燈亮起，其他指示器不亮，繼而可以判斷出故障發(fā)生在線路DE段。

1.2　就地型配電自動(dòng)化模式

就地型配電自動(dòng)化模式基于自動(dòng)化開關(guān)的時(shí)序配合或邏輯配合，不依賴配電主站，而是以網(wǎng)絡(luò)式的相互通信。在配電線路發(fā)生故障時(shí)，快速定位故障區(qū)域，實(shí)現(xiàn)故障隔離及非故障區(qū)域恢復(fù)供電。就地型配電自動(dòng)化可以通過配電自動(dòng)化終端實(shí)現(xiàn)遙信、遙測以及遙控，故障處理功能相較于故障定位模式更加完善，可以較大程度地提高區(qū)域的供電可靠性。

就地型配電自動(dòng)化模式根據(jù)終端安裝及分布的特點(diǎn)可以分為：智能分布式和重合器方式。

(1)智能分布式：該模式主要是通過配電自動(dòng)化終端之間的邏輯和時(shí)序配合，實(shí)現(xiàn)故障的快速隔離和非故障線路恢復(fù)供電，而且還可以使用網(wǎng)絡(luò)通信將故障處理的時(shí)間、流程以及結(jié)果等信息進(jìn)行上報(bào)。智能分布式還可以分為：基于負(fù)荷開關(guān)和基于斷路器的智能分布式。

智能分布式的故障處理過程以基于負(fù)荷開關(guān)的方式為例，如圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2　基于負(fù)荷開關(guān)方式的故障處理過程

當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，若一個(gè)開關(guān)的某一相流過了超過整定值的故障電流,則DTU 向其相鄰開關(guān)的DTU發(fā)送流過故障電流的信息；若一個(gè)區(qū)域有且只有1個(gè)端點(diǎn)上報(bào)流過了故障電流，則故障發(fā)生在該配電區(qū)域內(nèi)部；否則，故障點(diǎn)在該區(qū)域外部。如圖2(a)所示，故障發(fā)生在DTU2和DTU3的聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間，那么DTU1和DTU2的A開關(guān)將檢測到故障電流，然而DTU4、DTU5及DTU3的B開關(guān)將不會(huì)檢測到故障電流，那么可以判斷出故障點(diǎn)發(fā)生在DTU2和DTU3的聯(lián)絡(luò)開關(guān)之間。此時(shí)首先CB1出線跳閘，繼而兩個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)跳閘，實(shí)現(xiàn)故障隔離，隨后CB1合閘，健全非故障區(qū)域供電。

(2)重合器方式：該模式主要是通過線路開關(guān)間的相互配合，基于自具控制和保護(hù)功能的開關(guān)設(shè)備“重合器”，實(shí)現(xiàn)線路故障的就地識(shí)別、定位、隔離和快速復(fù)電。重合器方式還可以分為：電壓—時(shí)間型和電壓—電流型。

重合器方式的故障處理過程以電壓—時(shí)間的方式為例，如圖3所示。

圖3　基于電壓—時(shí)間型的重合器方式故障處理過程

當(dāng)DE線路段發(fā)生故障時(shí)，變電站出線斷路器CB1的電流保護(hù)動(dòng)作分閘，線路上的自動(dòng)化開關(guān)B、C和D均失壓分閘。出線斷路器CB1經(jīng)過短暫延遲時(shí)間后自動(dòng)合閘，配電自動(dòng)化開關(guān)B、C、D依次自動(dòng)合閘；自動(dòng)化開關(guān)D合閘于故障點(diǎn)，引起CB1再次跳閘，自動(dòng)化開關(guān)B、C、D再次分閘；而開關(guān)D在合閘后短時(shí)間內(nèi)即失壓，滿足其閉鎖合閘判據(jù)，轉(zhuǎn)入閉鎖合閘狀態(tài)；出線斷路器CB1經(jīng)過短暫延遲時(shí)間后二次合閘；開關(guān)E一側(cè)失壓跳閘，引起F、G、H、I一側(cè)將重復(fù)上述步驟，最終導(dǎo)致D、E閉鎖狀態(tài)，故障處理結(jié)束。

1.3　集中型配電自動(dòng)化模式

集中型配電自動(dòng)化模式通過在開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜及柱開等位置安裝配電自動(dòng)化終端，該終端相互配合并使用網(wǎng)絡(luò)式光纖與配電自動(dòng)化主站通信，從而實(shí)現(xiàn)配電線路的故障定位、故障隔離和健全非故障區(qū)域供電。集中型配電自動(dòng)化模式相將使這兩種功能更加完備，終端實(shí)現(xiàn)三遙、故障信息上報(bào)，并且可以通過遠(yuǎn)程遙控快速切斷故障線路，還具備變電站配電線路監(jiān)控功能，極大提高供電可靠性，架構(gòu)如圖4所示。該模式可分為全自動(dòng)和半自動(dòng)兩種實(shí)現(xiàn)方式。

(1)全自動(dòng)方式：配電主站通過快速收集區(qū)域內(nèi)配電終端的信息，判斷配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，集中進(jìn)行故障識(shí)別、定位，通過遙控遠(yuǎn)方完成故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電。

(2)半自動(dòng)方式：配電主站通過收集區(qū)域內(nèi)配電終端的信息，判斷配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，集中進(jìn)行故障識(shí)別、定位，通過現(xiàn)場人工完成故障隔離和非故障區(qū)域恢復(fù)供電。

圖4　集中型配電自動(dòng)化架構(gòu)圖

2　算例計(jì)算

2.1　系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

系統(tǒng)供電可靠性指標(biāo)主要包括系統(tǒng)平均停電頻率(SAIFI)、系統(tǒng)平均停電時(shí)間(SAIDI)以及供電可靠率(ASAI)。系統(tǒng)平均停電頻率主要反映系統(tǒng)的年平均停電次數(shù)，可以由用戶斷電總次數(shù)除以系統(tǒng)內(nèi)用戶數(shù)得到；系統(tǒng)平均停電時(shí)間主要反應(yīng)系統(tǒng)的年平均停電時(shí)間，可以由系統(tǒng)內(nèi)用戶斷電時(shí)間總和除以用戶總數(shù)得到；供電可靠率可以用系統(tǒng)平均停電頻率計(jì)算得到，計(jì)算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

式中λi——負(fù)荷點(diǎn)i的年停電率；Ni——負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；Ui——每戶停電時(shí)間。

2.2　計(jì)算流程

(1)選定故障區(qū)域k；

(2)根據(jù)配電網(wǎng)開關(guān)的類型和配置情況對(duì)饋線進(jìn)行分區(qū)，收集該區(qū)域內(nèi)的停電數(shù)據(jù)，針對(duì)停電數(shù)據(jù)使用MATLAB進(jìn)行整合計(jì)算；

(3)根據(jù)分區(qū)結(jié)果，確定試點(diǎn)區(qū)域的建設(shè)模式類型，并據(jù)此利用式(1)～式(3)使用MATLAB計(jì)算該區(qū)域的供電可靠性指標(biāo)；

(4)計(jì)算所有建設(shè)模式的供電可靠性指標(biāo)。

本算例使用調(diào)研過的某試點(diǎn)中心區(qū)域的配網(wǎng)線路作參考，試點(diǎn)區(qū)域的用戶總數(shù)共計(jì)369個(gè)，這三種配電自動(dòng)化建設(shè)模式均存在，每種模式的參考數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1　試點(diǎn)區(qū)域建設(shè)模式參考數(shù)據(jù)

表2　試點(diǎn)區(qū)域指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

3　結(jié)語

通過對(duì)比三種配電自動(dòng)化建設(shè)模式的故障處理功能以及每種模式的供電可靠性指標(biāo)，可以總結(jié)出集中型配電自動(dòng)化建設(shè)模式的供電可靠率達(dá)到99.99%以上，能夠極大地縮短故障定位、故障隔離及線路復(fù)電時(shí)間。該建設(shè)模式可以適用于大中型城市對(duì)供電可靠性要求較高的中心區(qū)域；相對(duì)于中小型城市以及農(nóng)村，故障定位模式和就地型配網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)模式的供電可靠率達(dá)到99.9%以上，能夠滿足該類區(qū)域?qū)╇娍煽啃缘囊蟆?/p>

最終，考慮到建設(shè)成本、靜態(tài)投資及動(dòng)態(tài)投資等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，結(jié)合供電可靠性要求、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、一次設(shè)備現(xiàn)狀及通信條件等情況，合理選擇配電自動(dòng)化建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)投資效益最大化，全面支撐配電網(wǎng)精益管理和精準(zhǔn)投資，不斷提高配電網(wǎng)供電可靠性、供電質(zhì)量和效率效益。

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